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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.55 No.2 pp.9-15
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2020.55.2.9

Effect of Glutamate Foliar Treatment for Alleviating Drought Stress in Kale (Brassica oleracea L.)

Chang-Wook Park1, Ko-Eun Lee1, Eun-Jung Park1, In-Jung Lee1*
1School of Applied Biosciences, Kyungpook National University, Daegu, 41566, Korea
*Corresponding author: In-Jung Lee Tel: +82-53-950-5708 Fax: +82-53-958-6880 E-mail: ijlee@knu.ac.kr
March 10, 2021 ; April 15, 2021 ; April 20, 2021

Abstract


This study was conducted to determine the effects of Glutamte (Glu) treatment under drought stress, which can be a serious problem in growth, during the field cultivation of Kale (Brassica oleracea L. var. acephala), 5㎛ Glu solution was applied to the leaves of kale which exposed to dry conditions (D + Glu). The growth and chlorophyll contents were measured at the 0, 4 and 8days after Glu treatment (0, 4, 8DAT) and analyzed the contents of ABA, Glu, and Proline (Pro) in the plant bodies to compare the well-watered, dry condition and dry condition with Glu treatments. In the case of chlorophyll content, D+Glu treatments remained constant at the 8DAT, while the only D treatments decreased by 14%. The leaf area as the growth indicator was also shown to be higher in D+Glu treatments than in D t reatments. In a ddition, ABA c ontents o f D treatments at t he 4DAT, 8DAT w ere 44.13, 4 9.18% higher than D +Glu t reatments. The contents of Glu and Pro as the amino acid metabolism and drought resistance indicators remained higher in D+Glu treatments. The current study indicated that drought stress can be reduced and growth can be recovered by Glu treatments.



Glutamate 경엽처리가 케일(Brassica oleracea L.)의 건조스트레스 경감에 미치는 영향

박창욱1, 이고은1, 박은정1, 이인중1*
1경북대학교 농업생명과학대학 응용생명과학과

초록


본 연구는 케일(Brassica oleracea L. var. acephala)의 노지 재배 시, 생육 초기에 노출될 수 있는 건조 스트레스 조건에서 Glutamate (Glu)의 스트레스 경감 및 생육 회복 효과를 구명하기 위해 실시하였다. 건조 조건(D)에 노출된 케일에 5㎛ Glu 용액을 경엽처리하였다(D+Glu). Glu 처리 전 및 처리 후 4, 8일 차(0, 4, 8DAT)의 생육과 엽록소 함량을 측정하고 식물 체내의 ABA와 Glu, Pro의 함량을 분석하여 정상 환경 및 D, D+Glu 처리구 간의 비교를 실시하였다. 엽록소 함량의 경우, 8DAT에서 D+Glu 처리구는 일정한 수준을 유지한 반면에, D처리구는 14% 감소하였다. 엽면적으로 대표되는 생장 또한 D+Glu 처리구가 D 처리구에 비해 높게 나타났다. 또한 4, 8일차의 ABA 함량이 D 처리구에서 D+Glu 처리구에 비해 44.13, 49.18% 높게 나타났으며, 체내 아미노산 대사 및 건조저항성 지표인 Glu, Pro 함량은 D 처리구에 비해 D+Glu 처리구에서 보다 높은 수준을 유지하였다. 이러한 결과를 통해, Glu 처리에 의해 건조 스트레스가 경감되고 생육이 회복될 수 있다고 판단된다.



    서론

    수분은 광합성과 같은 물질대사, 기공 개폐, 세포 신장, 물질 수송, 팽압 유지 및 세포 온도 조절 등 매우 다양한 방면으로 작물 의 생육에 영향을 미치는 중요한 요소이다(Slatyer & Markus, 1968). 그러므로 작물이 건조한 환경에 노출되어 수분이 부족한 상태가 되면 생육이 감퇴되어 수량이 감소하고, 건조 상태가 심할 경우 생존이 불가능해질 수 있다(Taiz & Zeiger, 2006). 그러므로 작물 재배 기간 동안 건조 스트레스를 최소화하는 방법을 모색해야 할 필요가 있다.

    대표적인 십자화과 작물 중 하나인 케일(Brassica oleracea L. var. acephala Alef)은 비타민 A, glucosinolate, 페놀 화합물 등이 풍부하여 건강 기능성 식품으로 각광받고 있어, 그 재배 규모가 확대되고 있는 추세이다(kim et al., 2015). 노지와 시설 모두에서 재배가 이루어지고 있으며, 시설재배의 경우 비교적 안정적인 수분 공급이 가능하나, 노지재배의 경우 파종·정식시기인 봄철 강수량이 173.9㎜로, 연간 강수량인 1171.9㎜의 14.8%에 불과하여(System of index of state, 2019), 요수량이 높은 생육 초기에 건조 스트레 스에 노출되기 쉽다.

    Glutamate (Glu)는 식물체에 존재하는 대표적인 아미노산으로, 엽록소 및 proline (Pro) 등, 여러 종류의 물질 합성 과정에서 전구 체로 이용되므로, 식물의 생존과 생육에 있어 매우 중요한 위치를 가진다(Ohyama et al., 2017). Glu를 전구체로 가지는 대표적인 아미노산인 Pro은 식물체가 건조 스트레스에 노출될 경우 abscisic acid (ABA)에 의해 합성이 촉진된다(Stewart & Voetberg, 1985). Pro은 식물체 내에서 삼투조절 물질로 작용하여 건조 조건 에서 식물체내 수분퍼텐셜을 일정 수준으로 유지하여 내건성을 유 도한다(Verslues & Bray, 2006).

    아미노산 합성 외에도 Glu는 엽록소 합성의 전구체로 이용된다. 엽록소는 tetrapyrrole의 일종으로, C5 pathway를 통해 Glu로부 터 합성된다(Beale et al., 1999). 색소체 내에서 이루어지는 엽록 소 합성의 가장 최초 단계에서 Glu가 이용되며, 이 과정은 엽록소 합성 속도를 결정하는 가장 중요한 단계 중 하나이므로(Von et al., 1995), Glu는 엽록소 생합성의 기질로서 매우 중요한 위치에 있다(Papen brock & Grimm, 2001).

    따라서 본 연구는 건조 조건에서 생육 초기 단계의 케일 재배 시, 생육에 필수적인 엽록소와 식물 내건성을 유기하는 Pro의 전구 체로 작용하는 Glu 처리의 건조 피해 경감 및 생육 회복 효과를 확인하기 위해 진행되었다.

    재료 및 방법

    1. 파종 및 수분 관리

    본 실험에 사용된 케일종자는 ㈜다농(Namyangju, Korea)에서 새론케일 품종을 구입하여 이용하였다. 상토(coco-peat 65~70%, peat-moss 8~12%, vermiculite 10~14%, zeolite 3~5%, pearlite 5~8%, water-soluble fertilizer, antimicrobials, wetting agent etc.)를 채운 트레이에 구당 3~4립씩 파종하였다. 파종 14일차에 생육 정도가 유사한 개체만 남기고 솎음작업을 실시하였다. 솎음작 업 10일 후 상토를 채운 0.45L 포트에 생육이 우수한 개체를 선별 하여 이식하였다. 이식 후 6일간 수분을 충분히 공급하여 토양이 포화수분 상태를 유지하도록 하였다. 이식 7일차에 정상 환경 시험 구(Well-Watered, WW)는 1일 간격으로 증류수 50㎖, 건조 처리 구(Drought, D)는 2일 간격으로 1차 증류수 30㎖를 공급하여 토양 용적 수분함량을 각각 0.124~0.187 and 0.024~0.033㎥/㎥ 수준으 로 유지하여 건조 조건을 조성하였다. 건조 환경을 4일간 유지한 후 해당 처리구(Drought+Glutamate, D+Glu)에 5㎛의 Glu (Daejung chemicals CO. Korea) 수용액(+0.02% tween 20)을 잎의 표면에 충분히 도포되도록 24시간 간격으로 총 2회 분무하였 다. 처리 전, 처리 후 4일 및 8일차(0, 4, 8DAT)에 생육조사 및 수확을 실시하였다. 시료는 수확 직후 액체질소를 이용하여 동결시 켰다. 동결된 시료는 동결건조기(PVTFD20R, Ilshin, Korea)를 이용하여 건조시킨 후 샘플을 마쇄하여 분석에 이용하였다.

    2. 생육조사

    케일의 생육을 조사하기 위해 0, 4, 8DAT에 각각 초장, 엽장, 엽폭 및 엽록소 함량을 측정하였다. 엽장과 엽폭 및 엽록소 함량은 본엽 4엽의 수치를 측정하였으며, 엽록소 함량은 CCM-300(OPTI-SCIENCES CO, USA)을 이용하여 잎 하나 당 5지점을 측정한 엽록소 함량의 평균값으로 결정하였다.

    3. ABA 분석

    Qi et al. (1998), Kamboj et al. (1999) 등의 방법에 준하여 ABA의 추출 및 건물 중에 대한 정량을 실시하였다. 분석을 위한 샘플로써 동결건조 후 마쇄한 식물체 0.1g을 사용하였다. 2-propanol과 acetic acid를 95:5의 비율로 혼합한 용매 30㎖를 이용하여 추출 및 필터링(cellulose filter, 55㎜φ, 8um) 한 후, {(±-3,5,5,7,7,7-D6)-ABA standard 100ng를 첨가하여 감압 농축 시켰다. 농축된 잔사를 1N NaOH로 ㏗가 12~13이 되도록 조정하 였다. 이후 dichloromethane을 첨가 및 혼합 후 분획을 3회 반복하 여 엽록소를 제거하고 6N HCl을 이용하여 용액의 ㏗를 2.5~3.5로 조정하였다. 수용층에 ethyl-acetate 15㎖를 3회에 걸쳐 첨가 및 vortexing하여 층을 분리시킨 뒤 상층부의 ethyl-acetate층을 회수 하여 감압 농축하였다. 농축된 잔사를 ㏗ 8.0 phosphate buffer 10㎖에 용해시킨 후, 1g의 polyvinyl polypyrrolidone (PVPP) 와 혼합 및 진탕 후 filtering (cellulose filter, 55㎜φ, 8um) 하여 phenol compound를 제거하였다. Filtering 한 용액은 6N HCl을 이용 하여 ㏗ 2.5~3.5로 조정한 뒤 ethyl-acetate 15㎖를 3회에 걸쳐 첨가 및 혼합 후 분획하여 상층액(ethyl-acetate층)을 회수하였다. 분획 시 회수되지 못한 Buffer 성분을 제거하기 위해 pH 2.0 d.d H2O 10㎖을 첨가한 후 ethyl 층을 재차 분획하여 감압, 농축시켰 다. 농축한 잔사에 ethyl-acetate를 1㎖ 첨가하여 reaction vial에 옮긴 후 질소 가스를 이용하여 건조 후 4℃에서 보관하였다.

    Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS; GC: Agilent Technologies 6890N, USA; MS: Agilent Technologies 5973N, USA)를 이용하여 ABA의 함량을 분석하기 위해 diazol- methane 60㎕을 혼합하여 methyl ester group을 유도한 뒤, 질소 가스로 건조하였다. 이후 시료를 dichloromethane 50ul에 용해시켜 1㎕를 30m 0.25㎜ (i.d.) HP-capillary column에 injection 하여 분석하였다. ABA의 정량은 ion 194와 190의 peak area의 비교를 통하여 실시하였다. GC-MS 분석 조건은 Table 1. 과 같다.

    4. 아미노산 분석(Glutamate, Proline)

    동결건조 후 마쇄한 식물체 50㎎을 reaction vial에 옮긴 후, 6N HCl을 1ml 첨가하여 vial 내부를 질소 가스로 충전 및 밀폐하 여 100±1℃에서 24시간 동안 가수분해하였다. 가수분해 종료 후 vial 뚜껑을 개방하여 감압한 후 80℃에서 농축 건조하여 HCl을 제거하였다. 그 후 0.02N HCl 1ml을 첨가하여 sonicate 후 45um membrane filter를 사용하여 여과 후 amino acid analysis에 이용 하였다. 분석은 PH (protein hydrolysate) column (4.6S×60㎜ 4 ㎛)을 장착한 amino acid auto analyzer (Hitachi, L-8900)를 이용 하여 실시하였다. 분석 조건은 Table 2. 와 같다.

    결과 및 고찰

    1. 생장

    Glu 처리 전, 처리 4일, 8일 후(0DAT, 4DAT, 8DAT) 각각 초장과 엽장, 엽폭을 측정하였다(Table 3.). 따라서, 처리전 초기생 육에 차이가 없는 식물체가 적절하게 선택된 것으로 보인다. 하지 만 시간이 경과됨에 따라 처리 구별 엽장 및 초장에서 차이가 나타 났다. 4DAT에서 건조 조건인 D, D+Glu 처리구에서 WW 처리구 에 비해 엽장이 각각 21.11%와 13.54% 감소되었으므로, 건조 스 트레스에 의한 생육 감소가 확인되었다. 하지만 D+Glu 처리구의 엽장이 D 처리구에 비해 9.59% 높게 나타났다. 8DAT에서도 D+Glu 처리구의 엽장이 WW 처리구에 비해 23.15, 15.24% 낮게 유지되었으나, D+Glu 처리구가 D 처리구에 비해 10.29% 높게 나타나 유의한 차이를 보였다.

    케일은 경엽을 이용하는 원예작물이므로, 엽면적으로 대표되는 영양생장의 정도가 수량과 상품성에 직접적으로 영향을 미친다. 건조 조건에서 정상 환경에 비해 엽장이 낮은 수준으로 나타나, 건조 스트레스에 의한 생육의 경감이 확인되었다. 4DAT 이후에는 D+Glu 처리구의 엽장이 D 처리구에 비해 지속적으로 높게 나타났 다. 엽폭의 경우에는 Glu 처리에 따른 유의한 증가가 나타나지 않았지만, 엽면적은 엽장에 비례하여 증가하므로(Pearce et al., 1975), 건조조건에서 Glu 처리에 의해 생장량이 회복되어 생산량 을 유지할 수 있을 것으로 판단된다.

    2. ABA 함량

    ABA는 식물이 건조 조건에 노출되었을 때 합성되어, 기공 개폐 를 조절하고 삼투 조절 물질 합성을 촉진하는 등 스트레스를 경감 하는 역할을 한다(Aleksza et al., 2017). ABA는 건조뿐만 아니라, 고온, 저온 등 다양한 요인에 의해 그 함량이 증가하지만 (Finkelstein et al., 2002), 본 실험에서는 처리 구별 토양 수분 외의 다른 조건은 동일하므로, ABA 함량을 건조 스트레스 지표로 서 활용하였다. Fig. 1. 은 각 처리 구별 시간 경과에 따른 ABA 함량이다. 0DAT에서 ABA 함량은 모든 처리구에서 유사하였다. 하지만 4DAT에는 D 처리구의 ABA 함량이 D+Glu 처리구에 비 해 44.13% 높은 수치를 나타내었으며, 8DAT에서는 49.18% 높은 수준으로 나타났다.

    ABA 함량의 변화 분석을 통해, 시간 경과에 따른 건조 스트레 스 양상이 확인되었다. 모든 측정일에서 ABA의 함량이 D > D+Glu > WW 순으로 높게 나타났으므로, D, D+Glu 처리구 모두 건조 스트레스가 작용하였으나, D+Glu 처리구에서 D 처리구에 비해 ABA 함량이 지속적으로 낮게 나타났으므로, Glu 처리에 의 해 건조 스트레스가 경감되었다고 판단된다.

    3. 엽록소 함량

    Glu 처리 0, 4, 8DAT에 각각 엽록소의 함량을 측정한 결과 (Fig. 2.), D, D+Glu 처리구에서 각각 0DAT에 비해 4DAT에서 30.1, 38.8% 증가하였다. 이후 D+Glu 처리구에서는 8DAT의 엽 록소 함량이 463.30mg/m2로 4DAT와 유사하게 나타났다. 하지만 D 처리구의 경우 4DAT에 비해 14.0% 감소한 값인 435.47mg/m2의 엽록소 함량을 보였다.

    8DAT에서 엽록소 함량이 유의하게 감소한 D 처리구와 달리, D+Glu 처리구에서 엽록소 함량이 4DAT와 유사한 수준으로, 정 상 환경조건인 WW 처리구와 동일한 경향을 보였다. 이를 통해, Glu 처리에 의해 건조 스트레스가 경감되고 생육이 일정한 수준으 로 유지되었다고 판단된다(Arunyanark et al., 2008).

    4. 아미노산 함량(Glutamate, Proline)

    D 처리구 Glu 함량은 4DAT에 17.5ng/g으로 0DAT에 비해 8.9% 감소하였으며, 이후 8DAT에 22.9% 증가하여 21.5ng/g의 함량을 나타냈다. D+Glu 처리구의 경우 D 처리구와 달리 그 함량 이 지속적으로 증가하여 4DAT에서는 18.4ng/g의 함량을 보인 0DAT에 비해 19.6% 증가하였으며, 8DAT에서도 그 함량이 4DAT에 비해 24.5% 증가한 27.4ng/g으로 나타났다(Fig. 3.).

    Proline 함량의 변화 또한 Glu와 비슷한 양상을 보였다(Fig. 4.). 이는 건조 조건에서 Proline의 합성이 Glutamate pathway를 통해 Glu로부터 합성되기 때문이라 사료된다(Delauney & Verma, 1993;Verbruggen, 1993). D+Glu 처리구에서 지속적으 로 Pro의 함량이 증가하였다. 반면에 D 처리구는 4DAT에서 0DAT에 비해 그 함량이 8.8% 감소하였으며, D+Glu에 비해 4DAT와 8DAT에서 각각 19.7, 21.1% 낮은 수준을 보였다. 4DAT에서 D 처리구의 경우 각 함량이 감소하였으나, D+Glu 처 리구에서는 증가하였다. 또한 8DAT에서는 D+Glu 처리구가 WW 처리구와 유사한 수준까지 회복하였다.

    Glu의 대사과정은 식물체 내에서 매우 빠르게 이루어지므로, 정상 환경에서 생육하는 WW 처리구에서는 항상성이 유지되어 실험기간 동안 Glu, Pro의 함량이 일정 수준으로 유지되었다고 판단된다(Forde & Lea, 2007). D, D+Glu 처리구의 경우 건조 스트레스 및 Glu 처리 효과가 작용하여, 그 함량이 WW 처리구에 비해 큰 폭으로 변화한 것으로 사료된다.

    위의 결과와 같이 건조조건에서 Glu를 경엽처리 하였을 경우, 처리 하지 않은 경우에 비해 엽면적이 증가하였다. 엽록소의 경우, D 처리구에서 8DAT에서 그 함량이 감소한 것에 비하여 D+Glu 처리구는 일정 수준으로 유지되었으며, ABA는 D 처리구에서 시 간이 경과할수록 그 함량이 D+Glu 처리구에 비해 높게 나타났다. 또한 D+Glu 처리구에서 Glu 및 Pro 함량이 증가하였으므로, Glu 처리를 통해 식물체내 항상성이 유지되고, Pro 합성이 촉진되어, 생육이 회복되고 건조 스트레스 저항성이 향상될 수 있을 것으로 판단된다.

    Figures

    JALS-55-2-9_F1.gif

    Abscisic acid contents of Kale leaf at 0, 4 and 8DAT. Bars represent the mean value±SE (n=3). In the figure, different letters indicate significant difference at 5% level by duncan m㎕ltiple range test (DMRT). Capital letter A, B and C means 0DAT, 4DAT and 8DAT respectably.

    JALS-55-2-9_F2.gif

    Chlorophyll contents of Kale leaf at 0, 4 and 8DAT. Bars represent the mean value±SE (n=3). In the figure, different letters indicate significant difference at 5% level by duncan m㎕ltiple range test (DMRT). Capital letter A, B and C means D, D+Glu and WW respectably.

    JALS-55-2-9_F3.gif

    Glutamate contents of Kale leaf at 0, 4 and 8 days after treatment (DAT). Bars represent the mean value±SE (n=3). Means followed by different letters indicate significant differences determined by the DMRT at 5% level of probability.

    JALS-55-2-9_F4.gif

    Proline contents of Kale leaf at 0, 4 and 8 days after treatment (DAT). Bars represent the mean value±SE (n=3). Means followed by different letters indicate significant differences determined by the DMRT at 5% level of probability.

    Tables

    GC-MS analysis conditions for abscisic acid contents

    Amino acid auto analyze conditions for amino acids contents

    The growth characteristics of Kale at 0, 4 and 8 days after treatment (DAT)

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